Открытие нового типа химической связи — очень редкое, даже немыслимое событие в профессиональной деятельности. Недавно группе японских ученых посчастливилось совершить этот выдающийся успех, подтвердив существование ковалентной связи углерод-углерод на основе одного электрона и тем самым подтвердив гипотезу, выдвинутую столетие назад.
Ковалентные связи, в которых два атома связаны друг с другом посредством обмена парой электронов, составляют основу большинства органических соединений. В 1931 году нобелевский лауреат Лайнус Полинг предположил, что ковалентные связи, образованные одним неспаренным электроном, могут существовать, но эти связи, вероятно, будут гораздо слабее, чем стандартные ковалентные связи с парой электронов. С тех пор наблюдались различные одноэлектронные связи, но никогда — в углероде или водороде. Поэтому поиски связей с общим электроном между атомами углерода долгое время не давали ученым покоя.
Недавно группа ученых из Университета Хоккайдо выделила соединение, в котором один электрон разделяется между двумя атомами углерода в удивительно стабильной ковалентной связи, известной как сигма-связь. Об этом открытии подробно рассказывается в журнале Nature.
«Выяснение природы одноэлектронных сигма-связей между двумя атомами углерода необходимо для углубления понимания теорий химической связи и нового понимания химических реакций», — объясняет в пресс-релизе профессор Юсуке Исигаки с химического факультета Университета Хоккайдо, один из авторов исследования.
Одноэлектронная связь была образована путем подвергания производного гексафенилэтана, содержащего растянутую ковалентную связь между двумя атомами углерода, реакции окисления в присутствии йода. В результате реакции образовались темно-фиолетовые кристаллы йодистой соли.
Команда ученых использовала рентгеновский дифракционный анализ для изучения кристаллов и обнаружила, что атомы углерода расположены очень близко друг к другу, что говорит о наличии одноэлектронных ковалентных связей между атомами углерода. Затем они подтвердили это с помощью химического анализа, называемого спектроскопией комбинационного рассеяния.
«Эти результаты являются первым экспериментальным доказательством существования одноэлектронной ковалентной связи между углеродом и углеродом, что может открыть путь для новых разработок в области химии этого малоизученного типа связи», — говорит ведущий автор исследования Такуя Шимаджири, работающий в настоящее время в Токийском университете.
Изучение широкого спектра химических связей
В своем исследовании ученые объясняют, что провели кристаллографический анализ молекулы с помощью дифракции рентгеновских лучей, чтобы понять структуру кристаллов. Проецируя различные типы света с разными длинами волн, команда обнаружила, что атомы углерода расположены очень близко друг к другу. По мнению исследователей, такая близость указывает на стабильную одноэлектронную связь. Затем они подтвердили свое наблюдение с помощью рамановской спектроскопии.
«Редко удается обнаружить молекулу с новым типом связи», — говорит Генри Ржепа из Имперского колледжа Лондона. Он назвал исследование Шимаджири и его команды «важным открытием», которое открывает путь к созданию новых семейств молекул. Теперь Шимаджири и его команда планируют сделать следующий шаг — выяснить природу этой ковалентной связи. «Наша цель — изучить широкий спектр связей, которые еще предстоит открыть», — заключает Шимаджири.
